So sánh các Tính chất Vật liệu PCB cho Thiết kế Tốc độ Cao và Bảng mạch HDI

Mọi PCB đều sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau để tạo ra một cấu trúc lớp, khắc đồng, áp dụng lớp chống hàn, và in màn hình lụa. Mỗi vật liệu điện mô bạn sử dụng để tạo ra cấu trúc PCB đa lớp của mình có các tính chất vật liệu khác nhau, như hằng số điện mô và khả năng dẫn nhiệt. Khi bạn thiết kế cho các ứng dụng chuyên biệt, việc so sánh kỹ lưỡng các tính chất vật liệu PCB có thể giúp bạn chọn đúng vật liệu cơ bản để sử dụng trong bảng mạch tiếp theo của mình. Altium Designer cung cấp cho bạn các tính năng bạn cần để chọn một vật liệu cơ bản cho PCB đa lớp của mình và chuẩn bị thiết kế mới của bạn cho việc sản xuất quy mô lớn.

ALTIUM DESIGNER

Công cụ thiết kế PCB mạnh mẽ, hiện đại và dễ sử dụng nhất cho điện tử tiên tiến. Sử dụng bất kỳ tính chất vật liệu PCB nào và chuẩn bị bảng mạch của bạn cho việc sản xuất với Altium Designer.

Mọi cấu trúc lớp PCB bạn tạo cho bảng mạch của mình sẽ bao gồm nhiều vật liệu khác nhau. Nhiều vật liệu khác nhau sẽ được sử dụng trong quá trình sản xuất PCB. Các vật liệu bạn chọn sẽ quyết định mất mát công suất/tín hiệu, trở kháng kết nối, sự tăng nhiệt độ, độ nhám bề mặt đồng, và sự tăng nhiệt độ trong PCB của bạn. Không phải mọi vật liệu cơ bản đều lý tưởng cho mọi ứng dụng, vì vậy bạn sẽ cần phải chọn đúng vật liệu cơ bản cho cấu trúc lớp PCB của mình để cân bằng hiệu suất trong những lĩnh vực khác nhau này.

Với việc so sánh kỹ lưỡng các tính chất vật liệu PCB, bạn có thể xác định vật liệu cơ sở tốt nhất để sử dụng cho hệ thống tiếp theo của mình. Sau khi xác định vật liệu tốt nhất để sử dụng cho bảng mạch của bạn, công cụ thiết kế và phân tích xếp chồng PCB trong Altium Designer giúp bạn tạo ra bố cục PCB cho các bảng mạch tốc độ cao hoặc thiết kế HDI. Dưới đây là sự so sánh các tính chất vật liệu PCB để giúp bạn chọn vật liệu cơ sở phù hợp cho bảng mạch của mình.

Tính chất vật liệu cơ sở PCB quan trọng

Khi chọn một vật liệu cơ sở cho PCB của bạn, bạn cần xem xét các tính chất vật liệu khác nhau của vật liệu và cách chúng phù hợp với ứng dụng của bảng mạch. Dưới đây là các tính chất vật liệu PCB quan trọng cho thiết kế tốc độ cao bạn cần xem xét trong PCB của mình:

• Hằng số Điện môi Tương đối: Đây là một số phức bao gồm điện môi tương đối (Dk) và hệ số tán xạ (Df). Giá trị Df liên quan đến mất mát góc trong vật liệu.
• Mất mát dẫn điện: Mất mát dẫn điện bao gồm loại AC và DC, cả hai đều liên quan đến độ dẫn điện của các dẫn điện của bạn. Độ dẫn điện xác định độ sâu da, quyết định mất mát AC. Lưu ý rằng mất mát dẫn điện trong đồng trên một nền PCB liên quan đến độ nhám bề mặt đồng, điều này sẽ tăng mất mát trong hệ thống và thay đổi trở kháng của kết nối nội bộ.
• Độ dẫn nhiệt: Điều này xác định tốc độ mà nhiệt được tản ra khỏi nền trong quá trình hoạt động, và nó xác định sự tăng nhiệt độ so với nhiệt độ môi trường xung quanh. Điều này sau đó sẽ xác định chiến lược quản lý nhiệt của bạn, chẳng hạn như sử dụng tản nhiệt hoặc quạt để giữ cho các thành phần mát mẻ.
• Hệ số giãn nở nhiệt (CTE): Điều này cho bạn biết bảng mạch giãn nở như thế nào khi nhiệt độ tăng lên. CTE là anisotropic, nghĩa là bảng mạch sẽ giãn nở với các tốc độ khác nhau theo các hướng khác nhau. Bình thường, chúng ta chỉ quan tâm đến sự giãn nở dọc theo trục z, tức là vuông góc với lớp bề mặt của một bảng mạch.
• Nhiệt độ chuyển pha kính (Tg): Nhiệt độ chuyển pha kính cho bạn biết khi nào giá trị CTE đột ngột tăng lên khi nhiệt độ tiếp tục tăng. Giá trị CTE trên Tg lớn hơn giá trị CTE dưới Tg.
• Sự phân tán: Hằng số điện môi tương đối là một hàm số của tần số tín hiệu. Do đó, sự phân tán không phải là một con số cụ thể mà là một tính chất định nghĩa cách thức các tín hiệu với các tần số khác nhau di chuyển với các giá trị độ trễ truyền dẫn khác nhau trong một kết nối liên lạc.

Nhà sản xuất tiếp tục khám phá các vật liệu phù hợp hơn cho các bảng mạch tốc độ cao, bảng mạch HDI, và môi trường nhiệt độ cao. Các tính chất vật liệu khác nhau ở trên ảnh hưởng đến cách thức các tín hiệu tốc độ cao lan truyền trong một chất nền do sự phân tán, cũng như cách chúng tản nhiệt và chịu đựng sốc cơ học. Một số vật liệu này phù hợp cho các thiết bị sóng vi ba và sóng mm, hoặc để sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao, nhưng chúng có chi phí sản xuất cao hơn. Lựa chọn tốt nhất của bạn khi chọn vật liệu là bắt đầu với FR4 và đánh giá liệu vật liệu này có phù hợp với ứng dụng của bạn không.

Vật liệu Cấu trúc PCB Tiêu chuẩn

Ngành công nghiệp chủ yếu sử dụng vật liệu không dẫn điện cấp FR4 giữa các lớp đồng để xây dựng bảng mạch in. FR4 là một chỉ số cấp NEMA cho vật liệu laminate epoxy cốt sợi thủy tinh. Chỉ số này đại diện cho tỷ lệ sợi so với nhựa và chỉ ra các đặc tính như khả năng chống cháy, hằng số điện môi, hệ số tổn thất, sức căng, sức cắt, nhiệt độ chuyển pha, và hệ số giãn nở theo trục z. FR4 có khả năng chống cháy, làm cho nó phù hợp với các yêu cầu về an toàn, và nó mạnh mẽ trong môi trường nhiệt độ và độ ẩm biến đổi, tăng chất lượng hiệu suất.

Laminate nhựa được tẩm sợi thủy tinh tiêu chuẩn.

Các thành phần vật liệu chính của PCB là nhựa polymer (vật liệu điện môi) có hoặc không có chất độn, cốt liệu, và lá kim loại. Để tạo ra một PCB, các lớp điện môi, có hoặc không có cốt liệu, được xếp chồng lên nhau giữa các lớp lá đồng. Đa số các tính chất vật liệu của PCB cho thiết kế tốc độ cao là epoxy, nhưng một số có thể là BT, PPE, cyanate ester, và acrylate đã được chỉnh sửa. Cấu trúc của một laminate PCB epoxy tiêu biểu được hiển thị ở trên.

Mặt cắt của một laminate nhựa được tẩm sợi thủy tinh.

Những tấm lớp này được đặt giữa các lớp đồng và trở thành các vật liệu nền có tính chất điện môi liên quan đến các mạch được lắp ráp trên bảng mạch. Các nhà thiết kế quy định độ dày của vật liệu nền để đáp ứng yêu cầu điện môi cho các mạch. IPC-2221 chứa các bảng quy định hằng số điện môi cho FR4 và các vật liệu lớp khác trong các lớp vật liệu nền của PCB. Bộ công cụ thiết kế và bố trí PCB tốt nhất sẽ sử dụng dữ liệu này để mô hình hóa trở kháng và mất mát trong cấu trúc PCB của bạn cho việc định tuyến và thiết kế đường dẫn tối ưu.

• Sự phân tán có thể khó mô hình hóa nếu bạn không quen với hành vi tần số cao trong các vật liệu điện môi PCB.

  Tìm hiểu thêm về sự phân tán điện môi tần số cao trong vật liệu PCB FR4 cho thiết kế tốc độ cao.

• Độ nhám bề mặt trên một tấm lớp PCB và độ nhám bề mặt đồng sẽ ảnh hưởng đến trở kháng thực và ảo của các đường dẫn trên PCB của bạn.

  Tìm hiểu thêm về mô hình hóa độ nhám bề mặt đồng trên PCB của bạn.

• Bạn có thể tạo cấu trúc PCB của mình với bất kỳ sắp xếp vật liệu điện môi nào khi bạn sử dụng bộ công cụ thiết kế PCB phù hợp.

  Tìm hiểu thêm về làm việc với Trình quản lý Lớp Cấu trúc trong Altium Designer.

Vật liệu PCB cho Thiết kế Tốc độ Cao và HDI

Nhựa nền chính của ngành công nghiệp đã là nhựa epoxy. Epoxy đã trở thành một vật liệu không thể thiếu do chi phí tương đối thấp, khả năng bám dính mạnh (cả với các lá kim loại và chính nó), và các tính chất nhiệt, cơ học, và điện tử mong muốn. Hóa học cơ bản của epoxy đã được thay đổi đáng kể qua các năm. Các vật liệu xếp chồng PCB dựa trên nhựa khác thường được chọn để giải quyết các nhược điểm cụ thể của hệ thống nhựa epoxy. BT-Epoxy phổ biến đối với các gói chip hữu cơ do ổn định nhiệt của nó, trong khi nhựa polyimide và cyanate ester được sử dụng vì giá trị Dk và Df thấp hơn.

Ngoài nhựa nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo cũng được sử dụng bao gồm polyimide và polytetrafluoroethylene (PTFE). Khác với phiên bản nhiệt dẻo của polyimide, có tính giòn tương đối, phiên bản nhiệt rắn là linh hoạt và được cung cấp dưới dạng phim. Nó thường được sử dụng để làm mạch linh hoạt cũng như các mạch kết hợp gọi là cứng-linh hoạt. Nó cũng đắt hơn epoxy và chỉ được sử dụng khi cần thiết. Nhiều công ty đã chuyển sang yêu cầu "Không Halogen" trong việc dự đoán lệnh cấm cuối cùng đối với các chất chống cháy dựa trên brom được sử dụng trong các vật liệu điện môi PCB tiên tiến.

Những tính chất này rất lý tưởng cho các PCB tốc độ cao và HDI. Hằng số điện môi thấp hơn cho phép tín hiệu trên các bảng mạch này di chuyển nhanh hơn và giảm sự ghép nối điện dung giữa các đường tín hiệu liền kề. Điều này giúp đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu trên các bảng mạch này bằng cách giảm nhiễu chéo giữa các đường tín hiệu liền kề. Điều này đặc biệt quan trọng trong các bảng mạch HDI, nơi mà các đường mạch được đóng gói vào những không gian nhỏ.

Các Lựa Chọn Vật Liệu Điện Môi Khác Cho Cấu Trúc PCB

Nếu bạn đang thiết kế cho một ứng dụng chịu nhiệt độ cao hoặc công suất cao, có các lựa chọn vật liệu nền thay thế sẵn có. Những vật liệu nền thay thế này cũng có thể được sử dụng cho thiết kế PCB HDI và tốc độ cao, mang lại cho bạn nhiều sự linh hoạt hơn trong việc chọn vật liệu nền tốt nhất cho bảng mạch của bạn.

• Vật liệu nền PCB gốm cung cấp khả năng dẫn nhiệt rất cao và phân tán mượt mà ở tần số cao, làm cho chúng lý tưởng để sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao.

  Tìm hiểu thêm về vật liệu điện môi PCB gốm.

• Vật liệu nền PCB lõi kim loại thường được sử dụng cho các bảng mạch một lớp hoặc hai lớp sẽ hoạt động ở công suất cao và đạt nhiệt độ cao.

  Tìm hiểu thêm về việc sử dụng vật liệu nền PCB lõi kim loại.

• Đối với một PCB linh hoạt hoặc cứng-linh hoạt, bạn sẽ cần chọn một loại vật liệu linh hoạt với lớp lá đồng mịn trên bề mặt.

  Tìm hiểu thêm về các lựa chọn vật liệu cơ sở linh hoạt cho thiết kế PCB linh hoạt và cứng-linh hoạt.

Thiết kế PCB cứng-linh hoạt dễ dàng trong Altium Designer.

Tạo Bố cục PCB của bạn trong Altium Designer

Trình Quản lý Lớp Chồng trong Altium Designer bao gồm một thư viện các vật liệu sợi thủy tinh tiêu chuẩn với hằng số điện môi, giá trị CTE và mô hình phân tán được xác định rõ ràng. Nếu bạn đang làm việc với một vật liệu chuyên biệt hơn, như RT Duroid hoặc PCB lõi nhôm, bạn có thể xác định hằng số điện môi và tổn thất từ bảng dữ liệu. Sau đó, bạn có thể thiết kế các đường dẫn trở kháng kiểm soát với một trình giải quyết trường tích hợp. Mọi thứ bạn cần để đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu và định tuyến các bảng HDI đều có mặt trong Altium Designer.

Công cụ Draftsman của Altium Designer cung cấp thông tin về đồng và các lựa chọn vật liệu điện môi PCB cần thiết cho việc sản xuất PCB. Vật liệu cho keo hàn và mạ lỗ cũng được truyền đạt. Việc sử dụng vật liệu RoHS đang trở thành tiêu chuẩn khi việc loại bỏ hàn chì và các vật liệu độc hại khác trở nên bắt buộc trên toàn thế giới.

Hướng dẫn lắp ráp và chi tiết chế tạo được liệt kê trên các lớp cơ khí đa năng được tích hợp vào ngăn xếp lớp. Các lớp đặc biệt trong Trình quản lý Ngăn xếp Lớp được dành riêng để chỉ định silkscreen, mặt nạ hàn và mặt nạ pasta, thông tin khoan, khu vực cấm và các lớp kết nối.

Môi trường Thiết kế PCB Thống nhất trong Altium Designer

Môi trường thống nhất trong Altium Designer cũng bao gồm các tính năng bố trí và định tuyến cho việc tạo ra các PCB tốc độ cao, bảng mạch HDI, và PCB cứng-linh hoạt. Mọi chức năng trong Altium Designer đều được xây dựng trên một động cơ thiết kế dựa trên quy tắc, và tất cả các công cụ bố trí và định tuyến PCB của bạn đều có thể truy cập trong một chương trình duy nhất. Các tính năng mô phỏng trong Altium Designer cũng lý tưởng để kiểm tra tính toàn vẹn tín hiệu trong các vật liệu bảng mạch tốc độ cao và HDI.

• Động cơ thiết kế dựa trên quy tắc trong Altium Designer tự động đánh dấu lỗi khi bạn tạo bản vẽ sơ đồ và bố trí PCB của mình. Bạn có thể duy trì năng suất và thiết kế các thiết bị điện tử mạnh mẽ trong môi trường thiết kế độc đáo này.

  Tìm hiểu thêm về môi trường thiết kế dựa trên quy tắc thống nhất của Altium Designer.

• Để giúp đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu trong các vật liệu cho HDI và các tính chất vật liệu bảng mạch tốc độ cao, Altium Designer bao gồm một trình giải quyết trường 3D tích hợp cho các tính toán trở kháng và tính toàn vẹn tín hiệu.

  Tìm hiểu thêm về trình giải quyết trường 3D của Simberian trong Altium Designer.

• Nếu bạn mới làm quen với thiết kế PCB tích hợp, Altium cung cấp cho bạn quyền truy cập vào các hướng dẫn và tài nguyên thiết kế PCB thông qua Altium Academy.

  Tìm hiểu thêm về vật liệu PCB cho thiết kế tốc độ cao trong Altium Designer thông qua Altium Academy.

Tạo lớp xếp chồng PCB của bạn và chỉ định hằng số điện môi cho các bảng mạch của bạn trong Altium Designer.

Bảng so sánh vật liệu PCB cho thiết kế tốc độ cao và tính chất vật liệu bảng mạch HDI là một chủ đề quan trọng đối với các nhà thiết kế PCB và kỹ sư điện. Có nhiều nguồn tài nguyên cung cấp sự so sánh các tính chất vật liệu bảng mạch PCB, nhưng bạn cần phần mềm thiết kế cho phép bạn sử dụng bất kỳ vật liệu nào cho thiết kế xếp chồng PCB. Các tính năng thiết kế PCB trong Altium Designer cho phép bạn chọn vật liệu cho xếp chồng PCB tiên tiến của mình, và bạn sẽ có quyền truy cập vào một bộ đầy đủ các tính năng CAD và công cụ mô phỏng.

Altium Designer trên Altium 365 mang lại một lượng tích hợp chưa từng có cho ngành công nghiệp điện tử cho đến nay, chỉ giới hạn trong thế giới phát triển phần mềm, cho phép các nhà thiết kế làm việc từ nhà và đạt được mức độ hiệu quả chưa từng có.

Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể xem trang sản phẩm để biết mô tả tính năng chi tiết hơn hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến Theo yêu cầu.